الطاقة الشمسية

أصبحت الطاقة الشمسية من أهم مصادر الطاقة التي يتم استخدامها حول العالم، وسوف نلقي الضوء عن العديد من الأمور التي تخص هذه الطاقة في المقال التالي.

مستقبل الطاقة الشمسية

لقد بدأت الطاقة الشمسية في النمو، ولكن حتى يتم تخفيض التكاليف بشكل كبير، ستظل جزءًا صغيرًا جدًا من العالم، على الرغم من انخفاض التكلفة بشكل كبير على مدار الخمسين عامًا الماضية، إلا أنها لا تزال مصدر طاقة باهظ التكلفة، يُعرف تأثير الطاقة الكهروضوئية منذ عام 1839، وعلى الرغم من الجهود البحثية المكثفة منذ ذلك الحين، لا تزال الطاقة الشمسية باهظة الثمن، ولا يبدو من المحتمل أن تؤدي جهود البحث الإضافية إلى اختراقات ستؤدي إلى تسويق الطاقة الشمسية في المستقبل المنظور، هناك الكثير من الطاقة الشمسية التي تنتظر الاستفادة منها إذا أمكن تحقيق هذا الاختراق؛ ومع ذلك، حتى لو كانت هناك طريقة لجعل الطاقة الشمسية قابلة للحياة، فمن المتوقع ألا يتم ذلك دون أن يكون له تأثير كبير على البيئة.

مصدر الطاقة الشمسية

تتولد الطاقة الشمسية عن طريق التفاعلات النووية داخل جسم الشمس، حيث تصل هذه الطاقة إلى سطح الأرض في شكل إشعاع كهرومغناطيسي، ويتكون هذا الإشعاع أثناء انتقاله عبر الفضاء باتجاه الأرض حوالي 56% الأشعة تحت الحمراء، و 36% من الإشعاع المرئي، و 7% فوق البنفسجي فيما ينتمي الباقي إلى مناطق من الطيف الكهرومغناطيسي خارج نطاقات الطاقة التي تغطيها هذه الثلاثة.

لا يصل كل هذا الإشعاع إلى سطح الأرض، حيث ينتشر الغبار والجزيئات في بعضها في الغلاف الجوي، هذا التشتت هو عملية عشوائية ترسل الإشعاع في جميع الاتجاهات بحيث يعود الكثير مباشرة إلى الفضاء، ويصل الباقي إلى السطح، ولكن مثل الإشعاع المنتشر غير المباشر، تعمل الغيوم على عكس المزيد من ضوء الشمس مرة أخرى إلى الفضاء وتلعب دورًا مهمًا في تنظيم درجة الحرارة على سطح الأرض.

يتم امتصاص جزء آخر من الإشعاع بواسطة جزيئات مثل الماء وثاني أكسيد الكربون والأوزون والأكسجين داخل الغلاف الجوي، ويمتص الماء وثاني أكسيد الكربون الطاقة من منطقة الأشعة تحت الحمراء، بينما يمتص الأكسجين والأوزون من الأشعة فوق البنفسجية، كل هذه التفاعلات تقلل من تدفق الطاقة الشمسية بحوالي 40% مع تغيير تركيبها في نفس الوقت بحيث يتكون ضوء الشمس الذي يصل إلى سطح الأرض من 50% من الإشعاع المرئي و 47% من الأشعة تحت الحمراء.

عادةً ما يتم التعبير عن كمية الطاقة التي يحملها الإشعاع الشمسي من حيث الثابت الشمسي الذي يقيس كمية الطاقة الشمسية التي تمر عبر متر مربع واحد من الفضاء بشكل متعامد مع اتجاه انتقال الإشعاع عند متوسط ​​مسافة الأرض من الشمس، وفقًا لمجلس الطاقة العالمي، تبلغ قيمة هذا الثابت 1367 واط / م 2، عند أخذ الامتصاص والتشتت في الاعتبار، يقدر التدفق الشمسي الكلي الذي يصل إلى سطح الأرض بـ 1.08 × 108 جيجاواط، ويبلغ إجمالي كمية الطاقة التي تصل إلى سطح الأرض كل عام 3.400.000 إيجول، هذا ما بين 7000 و 8000 ضعف الاستهلاك العالمي السنوي للطاقة الأولية، إذا تم تحويل 1.0% من هذه الطاقة إلى كهرباء بكفاءة 10%، فإنها ستوفر ما يعادل حوالي 10000 جيجاوات من قدرة التوليد: الإجمالي العالمي حوالي 6000 جيجاواط.

لوضع هذا في منظور أكثر عملية، خذ على سبيل المثال مجموعة من محطات الطاقة الحرارية الشمسية التي تم بناؤها في كاليفورنيا في أواخر الثمانينيات وأوائل التسعينيات، تم تصميم هذه المحطات على أساس مدخلات شمسية تبلغ 2725 كيلوواط ساعة / م 2 / سنة أو 22.75 جيجاوات ساعة / سنة لكل هكتار، بافتراض إمكانية تحويل هذه الطاقة بكفاءة 10% إلى كهرباء، فإن عشرة ملايين هكتار (100.000 كيلومتر مربع) ستكون كافية لتزويد الولايات المتحدة بأكملها.

المدخلات الشمسية هي معلمة رئيسية عند التخطيط لمحطة الطاقة الحرارية الشمسية، يتم تحديد ذلك من خلال كثافة الطاقة الحرارية على سطح الأرض، وهو عامل يختلف باختلاف الموقع على الأرض، المتوسط ​​(الذي يأخذ في الاعتبار حقيقة أن أي نقطة على سطح الأرض لا تتلقى سوى ضوء الشمس لنصف الوقت تقريبًا، والنصف الآخر عبارة عن ساعات من الظلام) هو 170 واط / م 2، بينما أكبرها بالقرب من البحر الأحمر هو 300 W / م 2، (الأخير أقل بقليل من ربع قيمة ثابت الطاقة الشمسية) على مدار عام، متوسط ​​الطاقة الساقطة التي تزيد عن 1 متر مربع تعادل برميلاً من النفط أو 200 كيلوجرام من الفحم.

أنواع ضوء الشمس الواصل للأرض:

ضوء الشمس الذي يصل إلى سطح الأرض نوعين:

إشعاع مباشر وإشعاع منتشر، هذا الأخير هو نتيجة لعمليات التشتت والامتصاص المختلفة التي تحدث أثناء مرور ضوء الشمس عبر الغلاف الجوي، الغطاء النباتي قادر على امتصاص كلا النوعين من الإشعاع، وكذلك الخلايا الشمسية، ومع ذلك، تتطلب محطة الطاقة الشمسية الحرارية إشعاعًا مباشرًا للعمل بفعالية، هذا يحد من قابلية تطبيق هذه التكنولوجيا إلى المناطق التي يوجد بها متوسط ​​منخفض للغطاء السحابي السنوي، مع عدم وجود غطاء سحابة، ومهما كان الموقع، فإن ما بين 80% و 90% من ضوء الشمس الذي يصل إلى السطح سيكون إشعاعًا مباشرًا.

كيفية تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء.

هناك طريقتان للقيام بذلك.

1. الطاقة الشمسية المركزة (CSP): حيث يتركز ضوء الشمس على منطقة تحتوي على مياه يتم تحويلها إلى بخار وتستخدم لتوليد الطاقة، كما هو الحال في محطة توليد الطاقة الحرارية.

تنتج الطاقة الشمسية المركزة إشعاعًا مركّزًا بالحزمة الشمسية لتسخين السائل أو الصلب أو الغاز كما هو الحال في TPS العادي، أفضل مواقع CSP في المناطق الخالية من السحابة في الحزام الاستوائي.

تستخدم العدسات أو المرايا لتركيز الأشعة على برج شمسي، المرايا تتبع الشمس، CSP أكثر فعالية من حيث التكلفة، هذه ملاحظات في الأدبيات المتوفرة على النظام، قد يكون أحد الأسباب هو أن - توليد الكهرباء لا يتوقف عند عدم توفر ضوء الشمس بسبب كتلته الحرارية الكامنة كما يحدث في حالة الخلايا الكهروضوئية، إنه أكثر كفاءة وعمرًا أطول.

2. الخلايا الكهروضوئية: حيث يتم تحويل الضوء إلى كهرباء باستخدام الخلايا الكهروضوئية (PV)، حيث تنتج الخلايا الشمسية طاقة تيار مستمر، والتي تتقلب وفقًا لشدة الضوء المشع، يتطلب ذلك وجود عاكس لإنتاج الطاقة بالتردد والطور المطلوبين للجهد، الأنظمة الكهروضوئية متصلة بالشبكة، إنهم بحاجة إلى بطاريات للنسخ الاحتياطي.

بلغ إنتاج الكهرباء من الخلايا الكهروضوئية على مستوى العالم في عام 2012 حوالي 55000 ميجاوات؛ ومن المتوقع أن تزداد بحلول عام 2015 إلى 70.000 ميغاواط، ستكون حصة الهند 5000 ميغاواط أو أكثر.

ميزات خاصة بالطاقة الشمسية

• الطاقة الشمسية غير متوفرة في الليل، تعد القدرة على تخزين الطاقة المولدة جانبًا مهمًا من الطاقة الشمسية، يجب الحصول على المخرجات المتاحة عند توفرها وإما تخزينها لاستخدامها لاحقًا أو نقلها إلى حيث يمكن استخدامها.
• بسبب كتلتها الحرارية المتأصلة، تكون التقلبات في أنظمة الطاقة الشمسية المركزة أقل كثافة.
• يمكن تخزين الطاقة الشمسية في درجات حرارة عالية باستخدام الأملاح المنصهرة.
• تستخدم الأنظمة الكهروضوئية المركزة الضوء المركز على الخلايا الكهروضوئية. تتوفر أنواع كثيرة من المكثفات.
• لا تحتوي الطاقة الشمسية على أي منتجات ثانوية صلبة أو سائلة أو غازية، تأثيرها الاجتماعي والبيئي ضئيل مقارنة بـ TPS.

وفي الختام تعتبر هذه نظرة على الطاقة الشمسية، ولمعرفة المزيد من المعلومات عن هذه الطاقة وغيرها من الأمور يمكن للسادة القراء التفضل بزيارة الموقع.